哈齊客專涵洞凍脹監(jiān)測方案探討

李坤衡

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津市 300142）

1 概述

哈齊客專是我國第一條建在高緯度嚴(yán)寒地區(qū)的客運專線，線路正線長280 km，分布140余座不同孔徑的涵洞，全線采用Ⅰ型板式無砟軌道。自哈齊客專開工以來，雖然部分竣工涵洞經(jīng)歷了1～2個冬季，經(jīng)現(xiàn)場巡檢及走訪施工方，均未發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)凍害情況。但是沒有細(xì)致的測試，微小的凍脹是難以發(fā)現(xiàn)的，運營后一旦有凍脹出現(xiàn)，就會影響軌道的平順性，甚至影響行車安全。結(jié)合臨近運營線路，如濱洲線、平齊線、濱北線等既有涵洞歷年多發(fā)的凍脹病害情況，有必要對哈齊客專涵洞開展凍脹監(jiān)測，本次有機(jī)會結(jié)合路基凍脹研究選取了哈齊客專線上4處有代表性涵洞進(jìn)行凍脹監(jiān)測，開創(chuàng)了嚴(yán)寒地區(qū)監(jiān)測的先河，通過兩年的數(shù)據(jù)積累取得了初步成果。本文主要對此次嚴(yán)寒地區(qū)的涵洞凍脹監(jiān)測方案及具體實施情況予以介紹，通過對實測數(shù)據(jù)整理和分析為嚴(yán)寒地區(qū)類似鐵路涵洞監(jiān)測提供技術(shù)儲備和理論基礎(chǔ)[1-12]。

2 涵洞監(jiān)測實施方案

2.1 測試工點選取

哈齊客專保護(hù)涵均埋于地下，且涵洞出入口設(shè)置有封堵墻或者檢查井，可不考慮凍脹影響。所以，不選取保護(hù)涵作為凍脹監(jiān)測工點。

立交涵孔徑樣式較多，有3 m、4 m、5 m、6 m等多種，從豐富監(jiān)測工點的類型、總結(jié)不同條件下涵洞的凍脹規(guī)律來說，應(yīng)該選取部分代表性的立交涵進(jìn)行監(jiān)測。但是，立交涵洞內(nèi)埋設(shè)監(jiān)測設(shè)備，極易損壞而起不到監(jiān)測效果。

哈齊客專全線共設(shè)置145座線間排水涵，受項目特點限制，這些排水涵孔徑均為1～2 m。選取工點時，從填土高度、涵洞長度、地基處理形式等方面豐富監(jiān)測類型，結(jié)合2012～2013年度路基凍脹監(jiān)測成果，并考慮監(jiān)測工點相對集中的原則，綜合選取工點見表1。

表1 選取工點匯總表

2.2 監(jiān)測方案

為確保涵洞凍脹監(jiān)測的時序性和準(zhǔn)確性，此次監(jiān)測主要采用自動化監(jiān)測輔助人工監(jiān)測的手段，雙管齊下。本次監(jiān)測的內(nèi)容分為框架涵整體豎向位移變化、涵洞翼墻及基礎(chǔ)承受的凍脹力、凍結(jié)深度在涵洞洞內(nèi)的軸向分布以及涵洞基底以下土體的凍脹位移等四個方面。具體監(jiān)測方案如下：

（1）涵洞整體豎向位移測量

涵洞施工期間已經(jīng)預(yù)埋的沉降觀測標(biāo)見圖1，要求結(jié)合沉降觀測進(jìn)行人工測量。

圖1 涵洞人工監(jiān)測布置圖（單位：mm）

凍脹監(jiān)測期間涵洞豎向位移觀測頻次，無砟軌道鋪設(shè)前為1周1次，無砟軌道鋪設(shè)后為2周1次。

（2）涵洞翼墻及基礎(chǔ)凍脹變形測量

在涵洞一側(cè)出口處，端部翼墻及基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)地面以下部分粘貼應(yīng)變計。每座涵洞共布置1處，與地溫計在同一側(cè)。

應(yīng)變測量采用表面應(yīng)變計，應(yīng)變片即傳感器溫度適用范圍要求在-40℃以上。要求內(nèi)置溫度傳感器，同時監(jiān)測環(huán)境溫度，對溫度影響進(jìn)行自動補(bǔ)償修正，以求應(yīng)變測量結(jié)果為凍脹影響實際值。采集方式為遠(yuǎn)程自動化數(shù)據(jù)采集。

應(yīng)變計布置見圖2。

圖2 涵洞應(yīng)變計布置圖（單位：m）

（3）涵洞軸向地溫分布測量

在涵洞軸向間隔埋布地溫計，同時測量外界氣溫，以求測得最大凍結(jié)深度與大氣溫度的關(guān)系，以及凍結(jié)深度在涵洞軸向的分布情況。布點選在涵洞的一側(cè)，即出口或入口，不同涵洞間交錯布置，與應(yīng)變計在同一側(cè)。布點時在涵洞出入口段適當(dāng)加密，涵洞中間可以稀疏，見圖3。

圖3 涵洞軸向地溫分布測量圖（單位：m）

地溫計埋設(shè)時每個測試孔深度3.5 m，深度范圍內(nèi)間隔0.4 m 1個測點，布置豎向測點時注意須測量涵洞底板等混凝土結(jié)構(gòu)的溫度。地溫元件要求溫度適用范圍-40℃以上，采集方式采用自動化數(shù)據(jù)采集。

（4）涵洞基底凍脹測量

涵洞軸向范圍內(nèi)凍脹計測孔布置同溫度計，凍脹計與溫度計同時埋設(shè)，測量涵洞基底以下凍結(jié)深度范圍內(nèi)各層土體（包括涵洞底板）的凍脹位移，即分層凍脹變形監(jiān)測。凍脹計適應(yīng)反復(fù)凍脹環(huán)境，能夠在-40℃情況下正常工作。數(shù)據(jù)自動化采集。

圖4為單個涵洞監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成形式，對于每個監(jiān)測點而言，在涵洞出入口外側(cè)打1孔水位觀測井，用于研究地下水位與土體凍脹的相互關(guān)系。觀測期內(nèi)水位井頂部采取保暖措施。所有傳感器線纜套P V C保護(hù)管保護(hù)，并埋置地面以下，且保持地面平整。

圖4 單個涵洞監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 設(shè)備安裝

由專業(yè)人員現(xiàn)場安裝元件，監(jiān)測人員現(xiàn)場指導(dǎo)，并保留安裝過程的影像記錄（見圖5～圖9）。

圖6 涵內(nèi)鉆孔

圖7 安裝應(yīng)力計

圖8 凍脹計

圖9 數(shù)據(jù)采集箱連接及調(diào)試

本次凍脹監(jiān)測為期2 a，監(jiān)測期利用事先布設(shè)好的傳感器，通過數(shù)據(jù)自動化采集的完成大氣溫度、涵洞各測點地溫、凍脹變形量以及應(yīng)變量數(shù)據(jù)采集。傳感器設(shè)置的是每天分別在 0：00、6：00、12：00和18：000采集四次數(shù)據(jù)。利用實測數(shù)據(jù)，將其按不同位置、不同深度和不同時間階段進(jìn)行整理分析，尋找出凍脹規(guī)律性。

2.4 數(shù)據(jù)采集方法

本次涵洞凍脹監(jiān)測采用遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的自動化采集。監(jiān)控系統(tǒng)主要由自動采集箱、無線傳輸模塊和數(shù)據(jù)采集軟件三部分組成，具體架構(gòu)形式見圖10、圖11。

圖10 遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖11 現(xiàn)場無線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

自動采集箱可以控制傳感器在指定的時間自動進(jìn)行測量，并將結(jié)果保存在傳感器內(nèi)。無線傳輸模版與自動采集箱配合，在有G S M網(wǎng)絡(luò)覆蓋地方，通過無線傳輸模版進(jìn)行采集控制和數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集軟件用于將各種方式采集到的數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行進(jìn)一步的顯示、處理、分析?？蓪y量數(shù)據(jù)保存為Excel文件，便于用戶的后續(xù)分析、處理。

2.5 監(jiān)測設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)

針對沉降觀測標(biāo)而言，要經(jīng)常檢查其有無變動，并防止外力破壞。表面應(yīng)變計很容易損壞，其埋設(shè)后維護(hù)中需特別注意，回填時應(yīng)將儀器全部覆蓋，在埋設(shè)后半徑1.5 m內(nèi)禁止鉆孔等有震動的作業(yè)。各設(shè)備儀器均安排人員定期進(jìn)行檢查、校核，以保證儀器的正常使用。

3 數(shù)據(jù)整理及分析

3.1 溫度監(jiān)測

以D K97+900涵為例，環(huán)境及地溫各測點的溫度變化曲線見圖12。

圖12 環(huán)境及地溫各測點的溫度變化曲線

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

（1）在冬季，埋深越淺地基土溫度越低，即地溫隨著到地表距離的增加而增大；

（2）埋深等差變化時，溫度遞增的速率越來越??；

（3）地溫曲線比氣溫曲線平緩，且埋深越大處越平緩；

（4）地溫曲線比氣溫曲線的拐點滯后，埋深越大滯后時間越長，地面以下0.3 m處，地溫極值比氣溫極值晚出現(xiàn)約1 d。

3.2 涵洞基礎(chǔ)埋置深度研究

季節(jié)性凍土地區(qū)涵洞的病害絕大部分與涵洞基礎(chǔ)埋置深度不足有關(guān)，忽視涵洞水流對凍土上限下降的影響，這些都是凍土地區(qū)涵洞產(chǎn)生病害的主要因素。涵洞基礎(chǔ)埋置深度，應(yīng)根據(jù)凍土的工程地質(zhì)特征，涵洞結(jié)構(gòu)類型等因素綜合確定。

3.2.1 凍結(jié)深度確定

涵洞測試區(qū)地質(zhì)情況均以厚層粉質(zhì)粘土，其下為風(fēng)化砂巖。以0℃作為土發(fā)生凍結(jié)的臨界溫度點，推算地溫計實測土層凍結(jié)深度。鑒于四處涵洞地溫變化規(guī)律基本一致，以D K97+174涵為例進(jìn)行說明。

地溫沿豎向變化曲線見圖13。

圖13 地溫沿豎向變化曲線圖

從圖13中可以看出：

（1）哈齊客專涵洞監(jiān)測地區(qū)涵洞范圍內(nèi)地層凍結(jié)深度一般在1.75 m左右；

（2）在2014年～2015年的監(jiān)測期間，地表溫度最低發(fā)生在一月中下旬，約為-10.5℃；

（3）由于土層傳熱延性影響，地表溫度最低時并非為凍結(jié)深度最大時，凍結(jié)深度最大約發(fā)生在三月中下旬至四月初。

3.2.2 凍結(jié)深度沿軸向變化

通過對四處監(jiān)測工點實測地溫數(shù)據(jù)的整理發(fā)現(xiàn)，對于地溫而言四處工點變化規(guī)律基本一致，以D K97+174涵為例具體描述涵洞凍結(jié)深度沿涵軸方向變化趨勢。

涵洞凍結(jié)深度沿涵軸方向變化趨勢見圖14。

圖14 涵洞凍結(jié)深度沿涵軸方向變化趨勢圖

從圖14中可以看出：

（1）由于涵洞洞口直接與外界進(jìn)行熱交換，洞口處地基的凍結(jié)深度大于洞身中間部分。

（2）針對涵洞試驗區(qū)域而言，涵洞過渡段為距洞口2.5～4.0 m范圍內(nèi)。

如圖14所示為2014～2015年監(jiān)測期間涵洞各位置處最大凍結(jié)深度，觀測期沒有達(dá)到當(dāng)?shù)刈畲髢鼋Y(jié)深度（2.14 m）。

3.2.3 埋置深度確定

以D K97+174位置處涵洞為例，結(jié)合涵洞軸向各位置處凍結(jié)深度，對比分析涵洞埋深是否在凍結(jié)線以下的土體凍脹變形量，見圖15。

圖16 凍脹變形量對比圖

從實測凍脹變形數(shù)據(jù)上來看，凍脹變形在凍結(jié)線以上時實測土體凍脹變形量為1.75mm，而在凍結(jié)線附近時實測土體凍脹變形量僅為0.36mm。說明越靠近地面凍脹力越大，凍脹線附近凍脹力很小。

4 結(jié)語

通過對哈齊客專橋涵凍脹監(jiān)測以及對基礎(chǔ)埋深分析，對嚴(yán)寒地區(qū)涵洞凍脹監(jiān)測方案及具體實施方案有了進(jìn)一步的認(rèn)識，監(jiān)測數(shù)據(jù)初步分析成果表明，哈齊客專設(shè)計的涵洞選型、基礎(chǔ)埋深能夠滿足凍脹要求，也驗證《橋梁地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)凍土地基修建涵洞基礎(chǔ)埋置深度的相關(guān)要求，為今后類似涵洞凍脹監(jiān)測提供了技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉拔友,楊海容.青藏高原多年凍土區(qū)涵洞基礎(chǔ)人為上限的確定方法[A].第二屆全國凍土學(xué)術(shù)會議論文集[C].蘭州:甘肅人民出版社,1983.

[2]吳少海.青藏鐵路多年凍土區(qū)涵洞類型選擇及基礎(chǔ)埋置深度[J].中國鐵路,2002(12):38-41.

[3]張學(xué)富,賴遠(yuǎn)明,喻文兵,等.寒區(qū)涵洞現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)水化熱的影響分析[J].公路,2003(2):50-56.

[4]王凱,羅廣宇,羅英,等.高含冰量凍土地區(qū)拼裝涵洞施工技術(shù)[J].長安大學(xué)學(xué)報（建筑與環(huán)境科學(xué)版）,2003,20(1):30-32.

[5]曹玉新.青藏鐵路多年凍土區(qū)拼裝式涵洞施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2003(2):45-46.

[6]馬天明.青藏鐵路多年凍土區(qū)涵洞基礎(chǔ)施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2003(4):33-34.

[7]陳武,吳亞平,閆聚考,等.寒區(qū)路基涵洞在凍脹變形作用下的受力特性研究[J].路基工程,2012(5):9-12.

[8]章金釗.高原多年凍土地區(qū)涵洞工程研究[J].公路,2000(2):25-28.

[9]雷金山,楊秀竹,王星華,等.青藏鐵路路基與涵洞凍害分析及防凍措施[J].西部探礦工程,2003(1):26-27.

[10]吳紅.多年凍土地區(qū)橋涵工程設(shè)計[J].黑龍江水利科技,2011,39(5):78-79.

[11]劉秀,張松濤.多年凍土地區(qū)的橋涵工程設(shè)計[J].黑龍江交通科技,2013,36(3):85.

[12]T B 10093-2017，鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].